電解セル、高純度酸素生成システムおよび方法
【課題】二分子膜を有する電解セルを提供する。
【解決手段】
電解セル１０は、アノード電極１４を有するアノード１２と、カソード電極１８を有するカソード１６と、未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４を有する二分子膜２０と、直流（ＤＣ）電源２６と、外部回路２８と、水供給ライン３０と、低圧水素３２と、高圧酸素３４と、を有する。電解セル１０の一方の側にアノード１２が位置し、これと対向する他方の側にカソード１６が位置する。二分子膜２０はアノード１２とカソード１６との間に配設され、このうち未処理膜層２２がアノード１２に隣接し、プラチナ交換膜層２４がカソード１６に隣接するように配される。直流電源２６は、外部回路２８を介してアノード電極１４およびカソード電極１８に接続され、電解セル１０に電力を供給する。水供給ライン３０はカソード１６に水を供給する。
【解決手段】
電解セル１０は、アノード電極１４を有するアノード１２と、カソード電極１８を有するカソード１６と、未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４を有する二分子膜２０と、直流（ＤＣ）電源２６と、外部回路２８と、水供給ライン３０と、低圧水素３２と、高圧酸素３４と、を有する。電解セル１０の一方の側にアノード１２が位置し、これと対向する他方の側にカソード１６が位置する。二分子膜２０はアノード１２とカソード１６との間に配設され、このうち未処理膜層２２がアノード１２に隣接し、プラチナ交換膜層２４がカソード１６に隣接するように配される。直流電源２６は、外部回路２８を介してアノード電極１４およびカソード電極１８に接続され、電解セル１０に電力を供給する。水供給ライン３０はカソード１６に水を供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二分子膜を有する電解セル、高純度酸素生成システムおよびその方法に関する。
【０００２】
本願に対応する米国特許出願は、２０１０年２月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／３０４６９４号を優先権の基礎とするものである。
【背景技術】
【０００３】
電解セルは、水を分解して水素ガスおよび酸素ガスを生成する電気機械アッセンブリである。電解セルは、通常、アノード、カソードおよびイオン交換膜（プロトン交換膜（ＰＥＭ）として知られる）を有する。イオン交換膜は、アノードとカソードの間に位置する。作動中、水は、アノードで酸素ガス、水素イオン（プロトン）および電子に電解される。水素イオンは、イオン交換膜にわたる電界によりアノードからカソードへと移動し、電子は、直流（ＤＣ）電源により外部回路を通ってカソードに移動する。カソードにおいて、水素イオンと電子とが結合して水素ガスが生成される。
【０００４】
電界セルは、アノードで水を消費するため、継続的な作動のためにアノードに水を供給し続けなければならない。例示的なセル設計では、水はアノードに直接供給される。他のセル設計では、水はカソードに供給され、イオン交換膜を通してアノードに送られる。
【０００５】
電解セルの酸素生成量は、ファラデーの法則により定まり、セルの電気量の増加によりガス生成量および水の消費量が増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
要件を満たすため、多くの電解質セルや膜電極接合体（ＭＥＡ）からセルスタックを形成しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
電解セルは、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に配設される高差圧水電解二分子膜と、を備える。高差圧水電解二分子膜は、プラチナ含浸イオン交換膜層と、未処理イオン交換膜層と、を有する。未処理イオン交換膜層は、アノードとプラチナ含浸イオン交換膜との間に位置する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】二分子膜を有する電解セルの概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
イオン交換膜水電解槽（装置）の技術を利用する高差圧酸素ジェネレータは、次世代の宇宙服における主要酸素システムを再充填するために利用するものとして考えられている。水および電力だけが供給される高差圧酸素ジェネレータは、水をアノードにおいて酸素に変換し、カソードにおいて水素に変換する。用途においては、酸素は高圧で生成され、水素は低圧で生成されることが要求される。例えば、外部の圧縮機を用いることなく、周囲圧力下で、約２４，８２１キロパスカル（３，６００ｐｓｉ（重量ポンド毎平方インチ））までの圧力で水から酸素を生成することが望ましい。
【００１０】
図１に電解セル１０の概略図を示す。電解セル１０は、アノード電極１４を有するアノード１２と、カソード電極１８を有するカソード１６と、二分子膜２０と、直流（ＤＣ）電源２６と、外部回路２８と、水供給ライン３０と、低圧水素３２と、高圧酸素３４と、を有する。二分子膜２０は、未処理膜層２２と、後述するプラチナで交換された膜層２４（以下、プラチナ交換膜層という：ｐｌａｔｉｎｕｍ−ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｌａｙｅｒ）を有する。電解セル１０の一方の側にアノード１２が位置し、これと対向する他方の側にカソード１６が位置する。二分子膜２０はアノード１２とカソード１６との間に配設され、このうち未処理膜層２２がアノード１２に隣接し、プラチナ交換膜層２４がカソード１６に隣接するように配される。直流電源２６は、外部回路２８を介してアノード電極１４およびカソード電極１８に接続され、電解セル１０に電力を供給する。水供給ライン３０はカソード１６に水を供給する。
【００１１】
作動中、アノード１２に水が供給される。水は、アノード触媒に接触し、水素イオン（陽子）、電子および酸素ガスに電気分解される（式１）。
（式１） Ｈ2Ｏ→１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-
直流電源２６による電解セル１０に亘る電界の効果により、水素イオンはアノード１２から二分子膜２０を通ってカソード１６へと移動する。電子は、直流電源２６により外部回路２８を通って移動する。カソード１６のカソード触媒は、水素イオンおよび電子を再結合させて、低圧の水素３２を生じさせる（式２）。
（式２） ２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2
アノード電極１４およびカソード電極１８は親水性である。電解反応を生じさせるため、カソード電極１８は水流から水を受け、アノード電極１４は二分子膜２０から水を吸収する。高圧の酸素３４がアノード１２で発生するため、アノード電極１４は酸素電極とも呼ばれる。低圧の水素３２がカソード１６で発生するため、カソード電極１８は水素電極とも呼ばれる。
【００１２】
電解セル１０は、アノード１２で高圧酸素３４を生成し、カソード１６で低圧水素３２を生成する高差圧電解セルである。一例では、酸素は、周囲圧力下において約２４，８２１キロパスカル（３，６００ｐｓｉ（重量ポンド毎平方インチ））までの圧力で水から生成される。低圧水素３２は、水と実質的に同等の圧力で生成され、カソード１６を通る水の圧力降下に対処するように、通常、周囲圧力より僅かに高い。電解セル１０において、アノード１２は、カソード１６より圧力が高く、二分子膜２０に亘り差圧が生じる。
【００１３】
図１に示すように、水供給ライン３０によりカソード１６に水が供給される。水はカソード１６から二分子膜２０を通ってアノード１２に移動し、そこで消費される。後述するように、カソード１６に水を供給することにより、構成要素の数が減少し、したがって全重量が減少し、ひいては電解セル１０を用いる酸素生成システムの信頼性が向上する。
【００１４】
二分子膜２０により、電解セル１０における水の移動が向上し、セルスタックのサイズに対する酸素発生率（量）が増加する。二分子膜２０は、高差圧膜である。支持構造体によって、高差圧下における二分子膜２０の作用が可能となる。
【００１５】
二分子膜２０は、未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４を含む。未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４は、互いに連続的に接続している。膜層２２，２４間の連続的な接触は、二分子膜２０を通流する水移動のため重要であり、接触抵抗の減少をもたらす。未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４は、２つの独立した別々の構造体として互いに隣接して積層され得る。別の実施例として、ホットプレス加工によって、未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４を単一の構造体としてもよい。膜層２２，２４をホットプレス加工することにより、膜層２２，２４が乾燥している場合に膜層２２，２４間の界面抵抗が減少する。実験では、イオン交換膜層を互いにホットプレス加工ことによる抵抗に関する不利益は示されていない。一実施例では、未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４は、約１７２３キロパスカル（２５０ｐｓｉ）および１３０℃でホットプレス加工される。
【００１６】
一実施例では、未処理膜層２２は、プラチナ交換膜層２４より厚い。二分子膜２０は厚さＴTを有し、未処理膜層２２は厚さＴUを有し、プラチナ交換膜層２４は厚さＴPを有する。一実施例では、未処理膜層２２の厚さＴUは約０．１８ｍｍ（０．００７インチ）であり、プラチナ交換膜層２４の厚さＴPは約０．０５ｍｍ（０．００２インチ）である。他の実施例では、ＴTに対するＴPの比は、約０．００２と約０．９９９９の間である。さらに他の実施例では、ＴTに対するＴPの比は、約０．００２と約０．８の間である。さらに別の実施例では、ＴTに対するＴPの比は、約０．００４と約０．５の間である。
【００１７】
未処理膜層２２は、カソード１６よりもアノード１２に近接して配設される。未処理膜層２２は、イオン交換膜とすることができ、例えば、アメリカ合衆国デラウェア州ウィルミントン（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ）に所在のデュポン社（Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏ．）により製造されているナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）膜などのイオン交換膜やペルフルオロカーボンイオン交換膜とすることができる。未処理膜層２２は、プラチナ粒子で処理されていないため「未処理膜層」と呼ばれる。しかし、未処理膜層２２に対してプラチナ粒子の含浸以外の処理を施してもよい。例えば、未処理膜層２２を、化学的安定性を有するナフィオン（登録商標）などの化学的安定性を有する膜（化学的安定化膜）としてもよい。化学的安定化膜は、終端されていないポリマー鎖（ｕｎｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｈａｉｎｓ）を含んでいないか、あるいは含んでいても少量であり、フリーラジカルの攻撃（ｆｒｅｅ ｒａｄｉｃａｌ ａｔｔａｃｋ）の影響を受けにくい。
【００１８】
プラチナ交換膜層２４は、未処理膜層２２とカソード１６との間に位置する。プラチナ交換膜層２４は、イオン交換膜、例えば、プラチナ触媒を含浸させたペルフルオロカーボンイオン交換膜とすることができる。例えば、プラチナ交換膜層２４は、プラチナ含浸イオン交換膜としてもよい。プラチナをイオン交換膜に含浸させる方法としては、米国特許第５，３４２，４９４号明細書（Ｓｈａｎｅ ｅｔ ａｌ．，）に開示されており、本願の参考となる。この方法は、膜を調整するように、膜の酸性基の水素イオンを水素イオンより大きい置換カチオンと優先的に置換することにより膜を調整することと、プラチナイオンが置換カチオンと交換されるように、調整された膜をプラチナイオンを含む溶液と接触させることと、プラチナ触媒を形成するように含浸したプラチナイオンを金属フォームに変換することと、を含む。膜に含浸されるプラチナの量は含浸する膜の種類によって異なる。例えば、単一の含浸処理によりナフィオン（登録商標）膜に約０．９２グラム毎平方メートル毎ミル（ｇｍ Ｐｔ／ｍ2／ｍｉｌ）（０．０８６ｇｍ Ｐｔ／ｆｔ2／ｍｉｌ）のプラチナを含浸させることができる。複数の処理によって、所望の酸素純度の生成に要求されたプラチナを付加することが必要である。一実施例では、プラチナ交換膜層２４は、膜材料において約４．６ｍｇ／ｃｍ3〜約３６ｍｇ／ｃｍ3（約７５ｍｇ／ｉｎ3〜約５９０ｍｇ／ｉｎ3）のプラチナを有する。
【００１９】
プラチナ交換膜層２４のプラチナは、プラチナ交換膜層２４全体に分散または含浸している。プラチナ交換膜層２４のプラチナは、触媒作用のために構成される。プラチナは、プラチナが含浸されたイオン交換膜層に触媒領域（サイト）を形成する。後述するように、プラチナは、二分子膜２０の水和を促進し、二分子膜２０を通る水の移動を向上させる。
【００２０】
一実施例では、二分子膜２０を形成する前に、プラチナ交換膜層２４にプラチナが含浸される。独立した膜層２２，２４から二分子膜２０を形成することは、プラチナがプラチナ交換膜層２４全体に含浸されており、所定の領域に限定されていないため容易である。
【００２１】
電解セル１０の酸素発生量は、ファラデーの法則により定まり、セルの電気量の増加によりガス生成量および水の消費量が増加する。したがって、酸素発生量を増加させることによって、アノード１２における水の消費が増加し、スタックのサイズに応じた酸素発生量を維持するため、十分な水をアノード１２に供給しなければならない。
【００２２】
電解セル１０において、水は水供給ライン３０によってカソード１６に供給され、二分子膜２０を通ってアノード１２へ移動する。より具体的には、水はプラチナ交換膜層２４および未処理膜層２２を順に通ってアノード１２に達する。高圧のアノード１２に水を供給するために、アノードループにおける高圧水ポンプと高差圧フィードポンプとを含む高圧酸素／水相分離器を開発する必要がある。これらの構成部品により、完全な水電解システムに重量および容積が付加されるとともに複雑性が増す。これに対し、図１に示すように、低圧のカソード１６に水を供給することにより、電解セル１０を利用する水電解システムの構成部品数および全重量が減少し、かつ信頼性が向上する。
【００２３】
電解セル１０を継続的に運転するためには、水を消費するアノード１２にカソード１６から水を移動させる必要がある。いくつかのメカニズムにより、消費に加えてアノード１２の水が消耗され、アノード反応が抑制される。第１に、二分子膜２０に亘る流体力学上の圧力によりアノード１２の水が消耗される。電解セル１０に亘る流体力学上の圧力差に抗して、アノード１２に水が供給される。アノード１２の圧力はカソード１６の圧力より高く、これにより、流体力学上の圧力がアノード１２に移動する水を押す。
【００２４】
電気浸透抗力（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｔｉｃ ｄｒａｇ）は、アノード１２の水を消耗する。水分子が二分子膜２０を通流するときに、アノード１２からの陽子がアノード１２からカソード１６へと水分子を引き込むことにより、電気浸透抗力が生じる。例えば、アノード１２からカソード１６への陽子の移動により、ナフィオン（登録商標）イオン交換膜を通る陽子ごとに６つの水分子が引き込まれる。
【００２５】
アノード１２の水蒸気は、二分子膜２０に含有された水と釣り合っている。したがって、水蒸気が酸素の発生を伴ってアノード１２から出る際に、二分子膜２０からの水で補充される。
【００２６】
カソード１６からアノード１２への水の移動は、２つの主要なメカニズム、つまり拡散および毛管現象によって生じる。拡散は、カソード１６における水の濃度がアノード１２における水の濃度より高いために生じる。ナフィオン（登録商標）などのイオン交換膜において、拡散係数の大きさは膜の水含有量の関数であり、膜の水含有量が少ない場合、拡散率が低くなる。したがって、二分子膜２０が水を失い始めると、水をアノード１２に供給することはより困難になる。
【００２７】
毛管現象は、別の水移動のメカニズムである。毛管現象は、ヤング−ラプラスの原理（ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ Ｙｏｕｎｇ ａｎｄ Ｌａｐｌａｃｅ）に従うものであり、Ｐｃ＝４γｃｏｓ（θ）／ｄである。ここで、Ｐｃは毛管圧であり、γは水の表面張力であり、θは接触角度であり、ｄは毛管の直径である。ナフィオン（登録商標）イオン交換膜では、毛管現象は、乾燥したときに孔が縮まることにより生じる。これにより、カソード１６とアノード１２の間に毛管差圧が生じる。
【００２８】
プラチナ交換膜層２４のプラチナは、フリーラジカルの攻撃に対する保護をもたらす。フリーラジカル攻撃は、水電解セルのイオン交換膜にピンホールを生じさせ、ひいてはセルスタックの障害を引き起こす。後述するように、二分子膜２０におけるプラチナの位置を、フリーラジカル攻撃が最も生じやすく、かつ最も有益な箇所に限定してもよい。
【００２９】
プラチナ交換膜層２４のプラチナは、電解セル１０により生成される水素および酸素の純度を向上させる。水素および酸素は、濃度勾配により二分子膜２０を通って拡散する。例えば、水素はアノード１２に拡散し、酸素はカソード１６に拡散する。この拡散（交差拡散としても知られる）は、水素および酸素の純度を低下させる。プラチナ交換膜層２４のプラチナ（または触媒領域）は、二分子膜２０を通って交差拡散する酸素および水素を再結合して水を形成する。これにより、アノード１２において生じる酸素の水素混成およびカソード１６において生じる水素の酸素混成が減少する。一実施例では、プラチナ交換膜層２４は、少なくとも９９．５％の純度を有する酸素を生成するために十分な領域をもたらす。
【００３０】
二分子膜２０は、高差圧の水電解セル１０において高純度の生成物を生成しつつ、アノード１２への水の移動を向上させる。アノード１２は、プラチナ金属を酸化させる。プラチナ交換膜層２４をカソード１６に最接近させて配設することにより、アノード１２によるプラチナ金属の酸化が最小限に抑えられる。
【００３１】
プラチナによりイオン交換膜の孔の直径が増加する。ナフィオン（登録商標）などのイオン交換膜は、電解セル１０の一方の側から他方の側へと水を移動させる複数のナノサイズの孔を含む。プラチナ交換膜層２４単体で使用することにより、毛管圧が低下し、これにより、高差圧に対する水の移動が妨げられ、かつ水素および酸素の生成が減少する。二分子膜２０の選択された部分（すなわち、プラチナ交換膜層２４）に限定して孔の直径を拡大することにより、毛管現象の低下が制限される。二分子膜２０において、プラチナ交換膜層２４のより大きな孔は、プラチナ交換膜層２４に亘る水の拡散を促進し、未処理膜層２２の小さい孔は、圧力勾配に対抗したアノード１２への水の移動を向上させる。未処理膜層２２の小さい孔は、アノード１２への毛管圧を改善し、限界電流を増加させる。したがって、二分子膜２０は、アノード１２への水移動を向上させ、同じスタック質量および容量で酸素の生成を増加させる。
【００３２】
さらに、膜層２２，２４における孔の大きさは、酸素の純度に影響を及ぼす。未処理膜層２２における小さな孔は、電解セル１０における交差または交差拡散するガスの量を制限する。膜層２２，２４の孔のサイズを拡大することにより、交差拡散するガスに対する抵抗が減少する。酸素の圧力が水素の圧力よりかなり高い場合に、移動に対する抵抗を酸素が有することが特に重要である。
【００３３】
電解セル１０の作動は、例えば、フリーラジカルの攻撃により、イオン交換膜を劣化させる。膜の劣化は、通常、カソード１６に対して平行な平面およびカソード１６に隣接する平面において最も深刻である。この平面の厚さは、二分子膜２０の厚さＴTとＰＨ2／（ＰＨ2＋ＰＯ2）との積によって概算される。ここで、ＰＨ2は水素の分圧であり、ＰＯ2は酸素の分圧である。高差圧の水電解セル１０において、酸素の分圧は、水素の分圧よりかなり高い。したがって、カソードに隣接する非常に薄い平面には最も深刻な劣化が生じ得る。プラチナ交換膜層２４のプラチナにより、電解セル１０において、最も深刻な劣化およびフリーラジカル攻撃が生じ得る平面が保護される。プラチナ交換膜層２４は、概算された平面を包囲するように設計され得る。この平面の外側では膜には劣化がほとんど生じず、このため、未処理膜層２２はプラチナによって保護されていなくても深刻な劣化が生じない。
【００３４】
電解セル１０の作動中、アノード１２からの陽子は、二分子膜２０を通ってカソード１６に移動する。陽子は、水和状態で二分子膜２０を通って移動する。これにより、二分子膜２０を通る水移動の量が減少し、アノード１２において利用可能な水が制限されるため電流密度が制限される。二分子膜２０は、電解セル１０おける水の移動を増加させ、電流密度の制限がより大きくなり、スタックサイズにおける酸素の生成が増加する。
【００３５】
例示的な実施例を参照して本発明を説明してきたが、本発明は例示的なものに過ぎず限定的なものではない。当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更や修正をなし得ることを理解されるであろう。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 電解セル
１２ アノード
１４ アノード電極
１６ カソード
１８ カソード電極
２０ 二分子膜
２２ 未処理膜層
２４ プラチナ交換膜層
２６ 直流電源
２８ 外部回路
３０ 水供給ライン
３２ 低圧水素
３４ 高圧酸素
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二分子膜を有する電解セル、高純度酸素生成システムおよびその方法に関する。
【０００２】
本願に対応する米国特許出願は、２０１０年２月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／３０４６９４号を優先権の基礎とするものである。
【背景技術】
【０００３】
電解セルは、水を分解して水素ガスおよび酸素ガスを生成する電気機械アッセンブリである。電解セルは、通常、アノード、カソードおよびイオン交換膜（プロトン交換膜（ＰＥＭ）として知られる）を有する。イオン交換膜は、アノードとカソードの間に位置する。作動中、水は、アノードで酸素ガス、水素イオン（プロトン）および電子に電解される。水素イオンは、イオン交換膜にわたる電界によりアノードからカソードへと移動し、電子は、直流（ＤＣ）電源により外部回路を通ってカソードに移動する。カソードにおいて、水素イオンと電子とが結合して水素ガスが生成される。
【０００４】
電界セルは、アノードで水を消費するため、継続的な作動のためにアノードに水を供給し続けなければならない。例示的なセル設計では、水はアノードに直接供給される。他のセル設計では、水はカソードに供給され、イオン交換膜を通してアノードに送られる。
【０００５】
電解セルの酸素生成量は、ファラデーの法則により定まり、セルの電気量の増加によりガス生成量および水の消費量が増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
要件を満たすため、多くの電解質セルや膜電極接合体（ＭＥＡ）からセルスタックを形成しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
電解セルは、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に配設される高差圧水電解二分子膜と、を備える。高差圧水電解二分子膜は、プラチナ含浸イオン交換膜層と、未処理イオン交換膜層と、を有する。未処理イオン交換膜層は、アノードとプラチナ含浸イオン交換膜との間に位置する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】二分子膜を有する電解セルの概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
イオン交換膜水電解槽（装置）の技術を利用する高差圧酸素ジェネレータは、次世代の宇宙服における主要酸素システムを再充填するために利用するものとして考えられている。水および電力だけが供給される高差圧酸素ジェネレータは、水をアノードにおいて酸素に変換し、カソードにおいて水素に変換する。用途においては、酸素は高圧で生成され、水素は低圧で生成されることが要求される。例えば、外部の圧縮機を用いることなく、周囲圧力下で、約２４，８２１キロパスカル（３，６００ｐｓｉ（重量ポンド毎平方インチ））までの圧力で水から酸素を生成することが望ましい。
【００１０】
図１に電解セル１０の概略図を示す。電解セル１０は、アノード電極１４を有するアノード１２と、カソード電極１８を有するカソード１６と、二分子膜２０と、直流（ＤＣ）電源２６と、外部回路２８と、水供給ライン３０と、低圧水素３２と、高圧酸素３４と、を有する。二分子膜２０は、未処理膜層２２と、後述するプラチナで交換された膜層２４（以下、プラチナ交換膜層という：ｐｌａｔｉｎｕｍ−ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｌａｙｅｒ）を有する。電解セル１０の一方の側にアノード１２が位置し、これと対向する他方の側にカソード１６が位置する。二分子膜２０はアノード１２とカソード１６との間に配設され、このうち未処理膜層２２がアノード１２に隣接し、プラチナ交換膜層２４がカソード１６に隣接するように配される。直流電源２６は、外部回路２８を介してアノード電極１４およびカソード電極１８に接続され、電解セル１０に電力を供給する。水供給ライン３０はカソード１６に水を供給する。
【００１１】
作動中、アノード１２に水が供給される。水は、アノード触媒に接触し、水素イオン（陽子）、電子および酸素ガスに電気分解される（式１）。
（式１） Ｈ2Ｏ→１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-
直流電源２６による電解セル１０に亘る電界の効果により、水素イオンはアノード１２から二分子膜２０を通ってカソード１６へと移動する。電子は、直流電源２６により外部回路２８を通って移動する。カソード１６のカソード触媒は、水素イオンおよび電子を再結合させて、低圧の水素３２を生じさせる（式２）。
（式２） ２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2
アノード電極１４およびカソード電極１８は親水性である。電解反応を生じさせるため、カソード電極１８は水流から水を受け、アノード電極１４は二分子膜２０から水を吸収する。高圧の酸素３４がアノード１２で発生するため、アノード電極１４は酸素電極とも呼ばれる。低圧の水素３２がカソード１６で発生するため、カソード電極１８は水素電極とも呼ばれる。
【００１２】
電解セル１０は、アノード１２で高圧酸素３４を生成し、カソード１６で低圧水素３２を生成する高差圧電解セルである。一例では、酸素は、周囲圧力下において約２４，８２１キロパスカル（３，６００ｐｓｉ（重量ポンド毎平方インチ））までの圧力で水から生成される。低圧水素３２は、水と実質的に同等の圧力で生成され、カソード１６を通る水の圧力降下に対処するように、通常、周囲圧力より僅かに高い。電解セル１０において、アノード１２は、カソード１６より圧力が高く、二分子膜２０に亘り差圧が生じる。
【００１３】
図１に示すように、水供給ライン３０によりカソード１６に水が供給される。水はカソード１６から二分子膜２０を通ってアノード１２に移動し、そこで消費される。後述するように、カソード１６に水を供給することにより、構成要素の数が減少し、したがって全重量が減少し、ひいては電解セル１０を用いる酸素生成システムの信頼性が向上する。
【００１４】
二分子膜２０により、電解セル１０における水の移動が向上し、セルスタックのサイズに対する酸素発生率（量）が増加する。二分子膜２０は、高差圧膜である。支持構造体によって、高差圧下における二分子膜２０の作用が可能となる。
【００１５】
二分子膜２０は、未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４を含む。未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４は、互いに連続的に接続している。膜層２２，２４間の連続的な接触は、二分子膜２０を通流する水移動のため重要であり、接触抵抗の減少をもたらす。未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４は、２つの独立した別々の構造体として互いに隣接して積層され得る。別の実施例として、ホットプレス加工によって、未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４を単一の構造体としてもよい。膜層２２，２４をホットプレス加工することにより、膜層２２，２４が乾燥している場合に膜層２２，２４間の界面抵抗が減少する。実験では、イオン交換膜層を互いにホットプレス加工ことによる抵抗に関する不利益は示されていない。一実施例では、未処理膜層２２およびプラチナ交換膜層２４は、約１７２３キロパスカル（２５０ｐｓｉ）および１３０℃でホットプレス加工される。
【００１６】
一実施例では、未処理膜層２２は、プラチナ交換膜層２４より厚い。二分子膜２０は厚さＴTを有し、未処理膜層２２は厚さＴUを有し、プラチナ交換膜層２４は厚さＴPを有する。一実施例では、未処理膜層２２の厚さＴUは約０．１８ｍｍ（０．００７インチ）であり、プラチナ交換膜層２４の厚さＴPは約０．０５ｍｍ（０．００２インチ）である。他の実施例では、ＴTに対するＴPの比は、約０．００２と約０．９９９９の間である。さらに他の実施例では、ＴTに対するＴPの比は、約０．００２と約０．８の間である。さらに別の実施例では、ＴTに対するＴPの比は、約０．００４と約０．５の間である。
【００１７】
未処理膜層２２は、カソード１６よりもアノード１２に近接して配設される。未処理膜層２２は、イオン交換膜とすることができ、例えば、アメリカ合衆国デラウェア州ウィルミントン（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ）に所在のデュポン社（Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏ．）により製造されているナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）膜などのイオン交換膜やペルフルオロカーボンイオン交換膜とすることができる。未処理膜層２２は、プラチナ粒子で処理されていないため「未処理膜層」と呼ばれる。しかし、未処理膜層２２に対してプラチナ粒子の含浸以外の処理を施してもよい。例えば、未処理膜層２２を、化学的安定性を有するナフィオン（登録商標）などの化学的安定性を有する膜（化学的安定化膜）としてもよい。化学的安定化膜は、終端されていないポリマー鎖（ｕｎｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｈａｉｎｓ）を含んでいないか、あるいは含んでいても少量であり、フリーラジカルの攻撃（ｆｒｅｅ ｒａｄｉｃａｌ ａｔｔａｃｋ）の影響を受けにくい。
【００１８】
プラチナ交換膜層２４は、未処理膜層２２とカソード１６との間に位置する。プラチナ交換膜層２４は、イオン交換膜、例えば、プラチナ触媒を含浸させたペルフルオロカーボンイオン交換膜とすることができる。例えば、プラチナ交換膜層２４は、プラチナ含浸イオン交換膜としてもよい。プラチナをイオン交換膜に含浸させる方法としては、米国特許第５，３４２，４９４号明細書（Ｓｈａｎｅ ｅｔ ａｌ．，）に開示されており、本願の参考となる。この方法は、膜を調整するように、膜の酸性基の水素イオンを水素イオンより大きい置換カチオンと優先的に置換することにより膜を調整することと、プラチナイオンが置換カチオンと交換されるように、調整された膜をプラチナイオンを含む溶液と接触させることと、プラチナ触媒を形成するように含浸したプラチナイオンを金属フォームに変換することと、を含む。膜に含浸されるプラチナの量は含浸する膜の種類によって異なる。例えば、単一の含浸処理によりナフィオン（登録商標）膜に約０．９２グラム毎平方メートル毎ミル（ｇｍ Ｐｔ／ｍ2／ｍｉｌ）（０．０８６ｇｍ Ｐｔ／ｆｔ2／ｍｉｌ）のプラチナを含浸させることができる。複数の処理によって、所望の酸素純度の生成に要求されたプラチナを付加することが必要である。一実施例では、プラチナ交換膜層２４は、膜材料において約４．６ｍｇ／ｃｍ3〜約３６ｍｇ／ｃｍ3（約７５ｍｇ／ｉｎ3〜約５９０ｍｇ／ｉｎ3）のプラチナを有する。
【００１９】
プラチナ交換膜層２４のプラチナは、プラチナ交換膜層２４全体に分散または含浸している。プラチナ交換膜層２４のプラチナは、触媒作用のために構成される。プラチナは、プラチナが含浸されたイオン交換膜層に触媒領域（サイト）を形成する。後述するように、プラチナは、二分子膜２０の水和を促進し、二分子膜２０を通る水の移動を向上させる。
【００２０】
一実施例では、二分子膜２０を形成する前に、プラチナ交換膜層２４にプラチナが含浸される。独立した膜層２２，２４から二分子膜２０を形成することは、プラチナがプラチナ交換膜層２４全体に含浸されており、所定の領域に限定されていないため容易である。
【００２１】
電解セル１０の酸素発生量は、ファラデーの法則により定まり、セルの電気量の増加によりガス生成量および水の消費量が増加する。したがって、酸素発生量を増加させることによって、アノード１２における水の消費が増加し、スタックのサイズに応じた酸素発生量を維持するため、十分な水をアノード１２に供給しなければならない。
【００２２】
電解セル１０において、水は水供給ライン３０によってカソード１６に供給され、二分子膜２０を通ってアノード１２へ移動する。より具体的には、水はプラチナ交換膜層２４および未処理膜層２２を順に通ってアノード１２に達する。高圧のアノード１２に水を供給するために、アノードループにおける高圧水ポンプと高差圧フィードポンプとを含む高圧酸素／水相分離器を開発する必要がある。これらの構成部品により、完全な水電解システムに重量および容積が付加されるとともに複雑性が増す。これに対し、図１に示すように、低圧のカソード１６に水を供給することにより、電解セル１０を利用する水電解システムの構成部品数および全重量が減少し、かつ信頼性が向上する。
【００２３】
電解セル１０を継続的に運転するためには、水を消費するアノード１２にカソード１６から水を移動させる必要がある。いくつかのメカニズムにより、消費に加えてアノード１２の水が消耗され、アノード反応が抑制される。第１に、二分子膜２０に亘る流体力学上の圧力によりアノード１２の水が消耗される。電解セル１０に亘る流体力学上の圧力差に抗して、アノード１２に水が供給される。アノード１２の圧力はカソード１６の圧力より高く、これにより、流体力学上の圧力がアノード１２に移動する水を押す。
【００２４】
電気浸透抗力（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｔｉｃ ｄｒａｇ）は、アノード１２の水を消耗する。水分子が二分子膜２０を通流するときに、アノード１２からの陽子がアノード１２からカソード１６へと水分子を引き込むことにより、電気浸透抗力が生じる。例えば、アノード１２からカソード１６への陽子の移動により、ナフィオン（登録商標）イオン交換膜を通る陽子ごとに６つの水分子が引き込まれる。
【００２５】
アノード１２の水蒸気は、二分子膜２０に含有された水と釣り合っている。したがって、水蒸気が酸素の発生を伴ってアノード１２から出る際に、二分子膜２０からの水で補充される。
【００２６】
カソード１６からアノード１２への水の移動は、２つの主要なメカニズム、つまり拡散および毛管現象によって生じる。拡散は、カソード１６における水の濃度がアノード１２における水の濃度より高いために生じる。ナフィオン（登録商標）などのイオン交換膜において、拡散係数の大きさは膜の水含有量の関数であり、膜の水含有量が少ない場合、拡散率が低くなる。したがって、二分子膜２０が水を失い始めると、水をアノード１２に供給することはより困難になる。
【００２７】
毛管現象は、別の水移動のメカニズムである。毛管現象は、ヤング−ラプラスの原理（ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ Ｙｏｕｎｇ ａｎｄ Ｌａｐｌａｃｅ）に従うものであり、Ｐｃ＝４γｃｏｓ（θ）／ｄである。ここで、Ｐｃは毛管圧であり、γは水の表面張力であり、θは接触角度であり、ｄは毛管の直径である。ナフィオン（登録商標）イオン交換膜では、毛管現象は、乾燥したときに孔が縮まることにより生じる。これにより、カソード１６とアノード１２の間に毛管差圧が生じる。
【００２８】
プラチナ交換膜層２４のプラチナは、フリーラジカルの攻撃に対する保護をもたらす。フリーラジカル攻撃は、水電解セルのイオン交換膜にピンホールを生じさせ、ひいてはセルスタックの障害を引き起こす。後述するように、二分子膜２０におけるプラチナの位置を、フリーラジカル攻撃が最も生じやすく、かつ最も有益な箇所に限定してもよい。
【００２９】
プラチナ交換膜層２４のプラチナは、電解セル１０により生成される水素および酸素の純度を向上させる。水素および酸素は、濃度勾配により二分子膜２０を通って拡散する。例えば、水素はアノード１２に拡散し、酸素はカソード１６に拡散する。この拡散（交差拡散としても知られる）は、水素および酸素の純度を低下させる。プラチナ交換膜層２４のプラチナ（または触媒領域）は、二分子膜２０を通って交差拡散する酸素および水素を再結合して水を形成する。これにより、アノード１２において生じる酸素の水素混成およびカソード１６において生じる水素の酸素混成が減少する。一実施例では、プラチナ交換膜層２４は、少なくとも９９．５％の純度を有する酸素を生成するために十分な領域をもたらす。
【００３０】
二分子膜２０は、高差圧の水電解セル１０において高純度の生成物を生成しつつ、アノード１２への水の移動を向上させる。アノード１２は、プラチナ金属を酸化させる。プラチナ交換膜層２４をカソード１６に最接近させて配設することにより、アノード１２によるプラチナ金属の酸化が最小限に抑えられる。
【００３１】
プラチナによりイオン交換膜の孔の直径が増加する。ナフィオン（登録商標）などのイオン交換膜は、電解セル１０の一方の側から他方の側へと水を移動させる複数のナノサイズの孔を含む。プラチナ交換膜層２４単体で使用することにより、毛管圧が低下し、これにより、高差圧に対する水の移動が妨げられ、かつ水素および酸素の生成が減少する。二分子膜２０の選択された部分（すなわち、プラチナ交換膜層２４）に限定して孔の直径を拡大することにより、毛管現象の低下が制限される。二分子膜２０において、プラチナ交換膜層２４のより大きな孔は、プラチナ交換膜層２４に亘る水の拡散を促進し、未処理膜層２２の小さい孔は、圧力勾配に対抗したアノード１２への水の移動を向上させる。未処理膜層２２の小さい孔は、アノード１２への毛管圧を改善し、限界電流を増加させる。したがって、二分子膜２０は、アノード１２への水移動を向上させ、同じスタック質量および容量で酸素の生成を増加させる。
【００３２】
さらに、膜層２２，２４における孔の大きさは、酸素の純度に影響を及ぼす。未処理膜層２２における小さな孔は、電解セル１０における交差または交差拡散するガスの量を制限する。膜層２２，２４の孔のサイズを拡大することにより、交差拡散するガスに対する抵抗が減少する。酸素の圧力が水素の圧力よりかなり高い場合に、移動に対する抵抗を酸素が有することが特に重要である。
【００３３】
電解セル１０の作動は、例えば、フリーラジカルの攻撃により、イオン交換膜を劣化させる。膜の劣化は、通常、カソード１６に対して平行な平面およびカソード１６に隣接する平面において最も深刻である。この平面の厚さは、二分子膜２０の厚さＴTとＰＨ2／（ＰＨ2＋ＰＯ2）との積によって概算される。ここで、ＰＨ2は水素の分圧であり、ＰＯ2は酸素の分圧である。高差圧の水電解セル１０において、酸素の分圧は、水素の分圧よりかなり高い。したがって、カソードに隣接する非常に薄い平面には最も深刻な劣化が生じ得る。プラチナ交換膜層２４のプラチナにより、電解セル１０において、最も深刻な劣化およびフリーラジカル攻撃が生じ得る平面が保護される。プラチナ交換膜層２４は、概算された平面を包囲するように設計され得る。この平面の外側では膜には劣化がほとんど生じず、このため、未処理膜層２２はプラチナによって保護されていなくても深刻な劣化が生じない。
【００３４】
電解セル１０の作動中、アノード１２からの陽子は、二分子膜２０を通ってカソード１６に移動する。陽子は、水和状態で二分子膜２０を通って移動する。これにより、二分子膜２０を通る水移動の量が減少し、アノード１２において利用可能な水が制限されるため電流密度が制限される。二分子膜２０は、電解セル１０おける水の移動を増加させ、電流密度の制限がより大きくなり、スタックサイズにおける酸素の生成が増加する。
【００３５】
例示的な実施例を参照して本発明を説明してきたが、本発明は例示的なものに過ぎず限定的なものではない。当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更や修正をなし得ることを理解されるであろう。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 電解セル
１２ アノード
１４ アノード電極
１６ カソード
１８ カソード電極
２０ 二分子膜
２２ 未処理膜層
２４ プラチナ交換膜層
２６ 直流電源
２８ 外部回路
３０ 水供給ライン
３２ 低圧水素
３４ 高圧酸素
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、
カソードと、
アノードとカソードとの間に配設される高差圧水電解二分子膜と、
を備える電解セルであって、
高差圧水電解二分子膜は、
プラチナ含浸イオン交換膜層と、
アノードとプラチナ含浸イオン交換膜との間に位置する未処理イオン交換膜層と、
を有することを特徴とする電解セル。
【請求項２】
未処理イオン交換膜層は、プラチナ含浸イオン交換膜層より厚いことを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項３】
高差圧水電解二分子膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００２から約０．９９９の間であることを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項４】
高差圧水電解二分子膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００２から約０．８の間であることを特徴とする請求項３に記載の電解セル。
【請求項５】
高差圧水電解二分子膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００４から約０．５の間であることを特徴とする請求項３に記載の電解セル。
【請求項６】
プラチナ含浸イオン交換膜層および未処理イオン交換膜層は、ホットプレスされて単一の構造体を形成することを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項７】
未処理イオン交換膜層は、化学的に安定化したペルフルオロカーボンイオン交換膜であることを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項８】
電解セルは、約２４，８２１キロパスカルまでの圧力で酸素を生成する高差圧水電解セルであることを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項９】
カソードに接続された水供給ラインをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項１０】
高純度の酸素を生成する方法であって、
高差圧電解セルのカソードに水を供給するステップであって、該高差圧電解セルは、アノードと、アノードとカソードとの間に配設される二分子膜と、を備え、二分子膜は、プラチナ含浸イオン交換膜層と、未処理イオン交換膜層と、を含み、プラチナ含浸イオン交換膜層は、この膜層に触媒領域を形成するプラチナが含浸されている、水供給ステップと、
プラチナ含浸イオン交換膜層、次いで未処理イオン交換膜層に亘って、カソードからアノードへと水を移動させるステップと、
水素イオン、酸素ガスおよび電子を生成するためアノードにおいて水を電解するステップと、
外部回路を通してカソードまで電子を送るステップと、
未処理イオン交換膜層、次いでプラチナ含浸イオン交換膜層を通してカソードまで水素イオンを送るステップと、
カソードにおいて水素ガスを生成するように水素イオンと電子を結合させるステップと、
プラチナ含浸イオン交換膜層の触媒領域において、交差拡散するカソードの水素ガスとアノードの酸素ガスを再結合するステップと、
を含むことを特徴とする高純度酸素生成方法。
【請求項１１】
アノードは、約２４，８２１キロパスカルまでの圧力で作動するように構成されることを特徴とする請求項１０に記載の高純度酸素生成方法。
【請求項１２】
プラチナ含浸イオン交換膜層および未処理イオン交換膜層は、ホットプレスされて単一の構造体を形成することを特徴とする請求項１１に記載の高純度酸素生成方法。
【請求項１３】
二分子膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００２から約０．９９９の間であることを特徴とする請求項１２に記載の高純度酸素生成方法。
【請求項１４】
二分子膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００２から約０．８の間であることを特徴とする請求項１３に記載の高純度酸素生成方法。
【請求項１５】
プラチナ含浸イオン交換膜層はカソードに隣接し、未処理イオン交換膜層はアノードに隣接することを特徴とする請求項１０に記載の高純度酸素生成方法。
【請求項１６】
高純度の酸素を生成するシステムであって、
水素イオン、酸素ガスおよび電子を生成するアノードと、
水素ガスを生成するカソードと、
カソードに水を供給するようにカソードに接続された水供給部と、
電解二分子イオン交換膜と、
を備え、
電解二分子イオン交換膜は、
プラチナ含浸イオン交換膜層と、
アノードとカソードとの間に位置する未処理イオン交換膜層と、
を有し、
プラチナ含浸イオン交換膜層は、アノードよりもカソードに近接するようにアノードとカソードの間に配されることを特徴とする高純度酸素生成システム。
【請求項１７】
電解二分子イオン交換膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００２から約０．９９９の間であることを特徴とする請求項１６に記載の高純度酸素生成システム。
【請求項１８】
電解二分子イオン交換膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００４から約０．５の間であることを特徴とする請求項１６に記載の高純度酸素生成システム。
【請求項１９】
プラチナ含浸イオン交換膜層および未処理イオン交換膜層は、ホットプレスされて単一の構造体を形成することを特徴とする請求項１６に記載の高純度酸素生成システム。
【請求項２０】
プラチナ含浸イオン交換膜層および未処理イオン交換膜層は、二分子イオン交換膜において独立した構造体であることを特徴とする請求項１６に記載の高純度酸素生成システム。
【請求項１】
アノードと、
カソードと、
アノードとカソードとの間に配設される高差圧水電解二分子膜と、
を備える電解セルであって、
高差圧水電解二分子膜は、
プラチナ含浸イオン交換膜層と、
アノードとプラチナ含浸イオン交換膜との間に位置する未処理イオン交換膜層と、
を有することを特徴とする電解セル。
【請求項２】
未処理イオン交換膜層は、プラチナ含浸イオン交換膜層より厚いことを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項３】
高差圧水電解二分子膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００２から約０．９９９の間であることを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項４】
高差圧水電解二分子膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００２から約０．８の間であることを特徴とする請求項３に記載の電解セル。
【請求項５】
高差圧水電解二分子膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００４から約０．５の間であることを特徴とする請求項３に記載の電解セル。
【請求項６】
プラチナ含浸イオン交換膜層および未処理イオン交換膜層は、ホットプレスされて単一の構造体を形成することを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項７】
未処理イオン交換膜層は、化学的に安定化したペルフルオロカーボンイオン交換膜であることを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項８】
電解セルは、約２４，８２１キロパスカルまでの圧力で酸素を生成する高差圧水電解セルであることを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項９】
カソードに接続された水供給ラインをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電解セル。
【請求項１０】
高純度の酸素を生成する方法であって、
高差圧電解セルのカソードに水を供給するステップであって、該高差圧電解セルは、アノードと、アノードとカソードとの間に配設される二分子膜と、を備え、二分子膜は、プラチナ含浸イオン交換膜層と、未処理イオン交換膜層と、を含み、プラチナ含浸イオン交換膜層は、この膜層に触媒領域を形成するプラチナが含浸されている、水供給ステップと、
プラチナ含浸イオン交換膜層、次いで未処理イオン交換膜層に亘って、カソードからアノードへと水を移動させるステップと、
水素イオン、酸素ガスおよび電子を生成するためアノードにおいて水を電解するステップと、
外部回路を通してカソードまで電子を送るステップと、
未処理イオン交換膜層、次いでプラチナ含浸イオン交換膜層を通してカソードまで水素イオンを送るステップと、
カソードにおいて水素ガスを生成するように水素イオンと電子を結合させるステップと、
プラチナ含浸イオン交換膜層の触媒領域において、交差拡散するカソードの水素ガスとアノードの酸素ガスを再結合するステップと、
を含むことを特徴とする高純度酸素生成方法。
【請求項１１】
アノードは、約２４，８２１キロパスカルまでの圧力で作動するように構成されることを特徴とする請求項１０に記載の高純度酸素生成方法。
【請求項１２】
プラチナ含浸イオン交換膜層および未処理イオン交換膜層は、ホットプレスされて単一の構造体を形成することを特徴とする請求項１１に記載の高純度酸素生成方法。
【請求項１３】
二分子膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００２から約０．９９９の間であることを特徴とする請求項１２に記載の高純度酸素生成方法。
【請求項１４】
二分子膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００２から約０．８の間であることを特徴とする請求項１３に記載の高純度酸素生成方法。
【請求項１５】
プラチナ含浸イオン交換膜層はカソードに隣接し、未処理イオン交換膜層はアノードに隣接することを特徴とする請求項１０に記載の高純度酸素生成方法。
【請求項１６】
高純度の酸素を生成するシステムであって、
水素イオン、酸素ガスおよび電子を生成するアノードと、
水素ガスを生成するカソードと、
カソードに水を供給するようにカソードに接続された水供給部と、
電解二分子イオン交換膜と、
を備え、
電解二分子イオン交換膜は、
プラチナ含浸イオン交換膜層と、
アノードとカソードとの間に位置する未処理イオン交換膜層と、
を有し、
プラチナ含浸イオン交換膜層は、アノードよりもカソードに近接するようにアノードとカソードの間に配されることを特徴とする高純度酸素生成システム。
【請求項１７】
電解二分子イオン交換膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００２から約０．９９９の間であることを特徴とする請求項１６に記載の高純度酸素生成システム。
【請求項１８】
電解二分子イオン交換膜の厚さに対するプラチナ含浸イオン交換膜層の厚さの比は、約０．００４から約０．５の間であることを特徴とする請求項１６に記載の高純度酸素生成システム。
【請求項１９】
プラチナ含浸イオン交換膜層および未処理イオン交換膜層は、ホットプレスされて単一の構造体を形成することを特徴とする請求項１６に記載の高純度酸素生成システム。
【請求項２０】
プラチナ含浸イオン交換膜層および未処理イオン交換膜層は、二分子イオン交換膜において独立した構造体であることを特徴とする請求項１６に記載の高純度酸素生成システム。
【図１】
【公開番号】特開２０１１−１６２８８０（Ｐ２０１１−１６２８８０Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３５２５（Ｐ２０１１−２３５２５）
【出願日】平成２３年２月７日（２０１１．２．７）
【出願人】（５００１０７７６２）ハミルトン・サンドストランド・コーポレイション (165)
【氏名又は名称原語表記】ＨＡＭＩＬＴＯＮ ＳＵＮＤＳＴＲＡＮＤ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ｈａｍｉｌｔｏｎ Ｒｏａｄ， Ｗｉｎｄｓｏｒ Ｌｏｃｋｓ， ＣＴ ０６０９６−１０１０， Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月７日（２０１１．２．７）
【出願人】（５００１０７７６２）ハミルトン・サンドストランド・コーポレイション (165)
【氏名又は名称原語表記】ＨＡＭＩＬＴＯＮ ＳＵＮＤＳＴＲＡＮＤ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【住所又は居所原語表記】Ｏｎｅ Ｈａｍｉｌｔｏｎ Ｒｏａｄ， Ｗｉｎｄｓｏｒ Ｌｏｃｋｓ， ＣＴ ０６０９６−１０１０， Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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